活塞内冷油腔位置对燃烧室强度影响的研究

石小明

（滨州渤海活塞有限公司／山东省发动机活塞摩擦副重点实验室，滨州256602）

0 引言

随着国家排放法规的严格要求和发动机制造水平的不断提高，发动机朝着小型化、轻量化、高功率密度、高可靠性及耐久性的方向发展。对柴油机来说，发动机爆发压力和升功率的持续提高，导致活塞承受的温度和应力越来越高，造成活塞结构强度降低。为有效降低活塞表面尤其是活塞头部的温度，现有的活塞普遍采用内冷油腔结构。发动机通过机油冷却喷嘴将机油强制喷入活塞内冷油腔中进行循环冷却，从而降低活塞表面的温度。活塞表面温度的降低提高了活塞本体材料所承受的性能极限，从而提高活塞本体的结构强度；同时，活塞表面温度的降低还有效减小了发动机机油结焦、变质的风险，减小活塞积碳的产生。另一方面，许多发动机厂商为提高自身发动机的市场竞争力，纷纷提高了发动机的保修里程，并延长了发动机换油周期。活塞作为发动机的核心零部件，要求B10寿命达到150万km以上。这些都迫切要求设计活塞时，必须保证其高的可靠性和较低的温度分布。

研究表明，活塞内冷油腔的形状和位置对于活塞表面的温度分布和应力分布都有显著的影响。吴义民等人对重型车用柴油机活塞冷却油腔进行了研究，并对活塞冷却油腔对冷却油喷射量及冷却喷嘴的设计进行了研究和相关试验［1⁃2］。山东大学的仲杰利用CFD模拟分析技术，对不同位置下冷却油腔内的冷却油体积分数分布和流动情况进行了研究，并利用FEA软件对未带内冷油腔的活塞温度分布与带有内冷油腔的活塞温度分布进行对比，得出增加活塞冷油腔对活塞温度场分布的影响和意义［3⁃4］。以上这些研究都得出增加活塞内冷油腔对活塞温度分布具有较大影响；但是，在活塞内冷油腔位置与活塞温度和结构强度之间的关系方面未有更详细的研究。本文通过调整活塞内冷油腔与燃烧室的距离，对内冷油腔的冷却效果和燃烧室强度进行综合评价，研究内冷油腔位置对活塞温度、应力及疲劳强度的影响，为活塞内冷油腔的结构设计提供一定的理论指导。

1 研究对象和方案设计

选取某柴油机活塞作为研究对象。该柴油机为直列6缸，缸径127 mm，行程152 mm，额定功率310 kW，额定转速1 900 r／min，最大爆发压力18 MPa，压缩比17∶1；其活塞材料选用行业内普遍使用的ZL109材料，内冷油腔结构如图1所示。研究方案为：调整内冷油腔与燃烧室的最小距离A（见图1）为6 mm、8 mm和10 mm，采用模拟分析法研究距离变化对活塞表面温度分布、应力分布及疲劳强度的影响。

2 模拟仿真

利用ANSYS结构分析软件进行活塞温度和应力应变分析。强度校核时，选取发动机的额定工况作为分析工况。分析时，考虑活塞受到的最大爆发压力、裙部侧向力、惯性力、活塞销与销孔之间的接触压力及温度载荷。其中最大爆发压力、惯性力从客户提供的发动机参数中获得。

2.1 有限元模型

依据活塞、活塞销和连杆小头的设计图纸进行1∶1三维建模，将三维模型导入到ANSYS有限元软件中。为提高计算速度，在不破坏活塞整体的受力分析前提下，对模型部分结构进行简化，如槽底倒角、小圆弧等。网格划分后得到的有限元分析模型如图2所示。网格划分时活塞及连杆采用四面体10节点单元，共367 384节点；活塞销采用六面体20节点单元，共20 850节点。经分析，该活塞为轴对称结构。为提高计算速度，取活塞、活塞销、连杆小头的一半模型作为有限元分析模型。

2.2 边界条件

由于选取1／2模型作为分析模型，在对称面施加对称约束。活塞在气缸中做上下往复运动时，活塞销孔与活塞销、活塞销与连杆小头之间及活塞裙部与缸套之间组成3对摩擦副，他们之间发生小位移滑动接触，分别建立接触对。在连杆小头下端施加固定约束。

3 结果分析

按照上述边界条件，采用ANSYS结构分析软件，计算得到活塞表面的温度分布和应力分布。

3.1 内冷油腔位置对活塞温度分布的影响

内冷油腔位置改变对活塞燃烧室喉口、燃烧室底部、内冷油腔及第1环槽的温度分布有显著影响；3种方案上述部位 （见图3）的温度分布如图4所示。方案3的燃烧室喉口温度、燃烧室底部温度和第1环槽温度均高于方案1和方案2。燃烧室喉口和燃烧室底部温度越高，活塞自身材料的强度越低，所以活塞结构强度越低。而内冷油腔及第1环槽由于与润滑油可直接接触，所以这2个部位的温度过高会造成机油结焦变质而产生积碳。

3种方案中燃烧室喉口部位的温度最高，其次为燃烧室底部的温度，内冷油腔和第1环槽的温度最低，见图4。这是因为燃油喷射落点位于燃烧室喉口部位，导致该部位温度最高，随着热量的传递，温度逐渐降低。通过对比可知，随着内冷油腔与燃烧室距离的不断增大，内冷却油腔对于燃烧室及环槽部位的冷却效果也逐渐降低，但内冷油腔的温度也逐渐降低。这就要求在进行内冷油腔设计时，在保证内冷油腔部位温度低于机油结焦温度和结构强度临界温度的同时，尽量缩小燃烧室与内冷油腔部位的距离，提高冷却效果。

3.2 内冷油腔位置对活塞应力分布的影响

当活塞头部燃烧室部位受到爆发压力作用时，燃烧室会产生变形，从而产生应力；当局部应力过大、超出材料的屈服极限时，就会发生开裂。本文主要研究内冷油腔位置改变对燃烧室应力分布的影响，因此重点提取燃烧室部位的应力分布。3种方案的燃烧室应力分布如图5所示。

由分析结果可知，在整个燃烧室，燃烧室底部的应力最大。这是因为该部位距离内冷油腔最近，结构强度最低所致。3种方案中，方案1的燃烧室底部应力最大，方案2次之，方案3最小。这说明随着内冷油腔与燃烧室的距离不断增大，燃烧室的刚度也相应增大，导致燃烧室弯曲变形减小，应力减小。

3.3 疲劳系数

Fe⁃Safe是英国政府资助开发的一款计算机辅助疲劳设计软件。该软件被公认为世界上技术领先的疲劳分析软件，可利用应力⁃寿命曲线、应变⁃寿命曲线和局部应力⁃应变法进行单轴和多轴疲劳分析。该软件还可以和ANSYS软件相互配合，通过读取ANSYS有限元分析的应力场、应变场和温度场结果作为输入载荷，计算出活塞的疲劳数据［5⁃7］。本文采用Fe⁃Safe软件，进行多轴疲劳分析。分析时，将已经获得的材料特性数据输入到软件中，然后将ANSYS计算得到的活塞热应力和热机耦合应力结果输入到疲劳分析软件中，得到每个节点的平均应力和应力振幅，最终计算得到活塞关键部位的疲劳安全系数。疲劳系数等于极限载荷与许用载荷的比值，数值越大，说明结构强度越好，也就越安全。

3种方案燃烧室最小疲劳系数对比如图6所示。由图6可见，燃烧室的最小疲劳系数都出现在活塞销孔上方的燃烧室底部，与前面计算得到的燃烧室应力分布基本一致。3种方案中，方案1内冷油腔距离燃烧室最近，该部位的应力最大，疲劳系数最小。随着距离增大，结构强度越来越高，应力逐渐减小，疲劳系数增大。

4 结论

1）活塞内冷油腔与燃烧室的距离影响活塞表面的温度分布。内冷油腔与燃烧室距离越近，对燃烧室的冷却效果越好，活塞温度越低，但相应的传入内冷油腔的热量越多，内冷油腔的温度越高。

2）活塞内冷油腔与燃烧室的距离影响燃烧室部位的结构强度。内冷油腔与燃烧室距离越近，燃烧室的应力越大，疲劳系数越小，结构强度越低，反之，应力越小，疲劳系数越大，结构强度越好。